[論文レビュー] Assessing The Starburst Contribution to the Gamma-Ray and Neutrino Backgrounds

Todd A. Thompson, Eliot Quataert+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2006

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、z ≈ 1 のスターバースト銀河が、宇宙線陽子が高密度の星間ガスと相互作用してパイオンを生成し、それらが高エネルギーγ線およびニュートリノに崩壊するための陽子カルビュレーターである可能性を主張している。星形成歴およびFIR-電波相関に関する観測的制約を用いて、著者らはスターバーストが、銀河間のγ線およびニュートリノ背景に顕著な寄与をすると示している。これは、GLASTによる近傍スターバーストの検出によって予測が裏付けられている。

ABSTRACT

If cosmic ray protons interact with gas at roughly the mean density of the interstellar medium in starburst galaxies, then pion decay in starbursts is likely to contribute significantly to the diffuse extra-galactic background in both gamma-rays and high energy neutrinos. We describe the assumptions that lead to this conclusion and clarify the difference between our estimates and those of Stecker (2006). Detection of a single starburst by GLAST would confirm the significant contribution of starburst galaxies to the extra-galactic neutrino and gamma-ray backgrounds.

研究の動機と目的

• スターバースト銀河が拡散的銀河間γ線および高エネルギーニュートリノ背景に与える寄与を評価すること。
• 本研究とStecker (2006) との間の矛盾を解消すること。Stecker (2006) はスターバースト寄与の上限を低めに報告している。
• z ≈ 1 のスターバースト銀河が、高いガス密度を有するため、効率的なパイオン生成によって陽子カルビュレーターとして機能できる条件を特定すること。
• 銀河スーパーウインドおよび宇宙線の脱出 timescale が、スターバーストのカルビュレーター効率に与える影響を評価すること。
• GLASTによる近傍スターバースト（NGC 253 や M 82 など）からの検出可能なγ線放射度についての検証可能な予測を提示すること。

提案手法

• 陽子-陽子衝突断面積およびパイオン崩壊の運動学を用いて、スターバースト銀河内における宇宙線陽子と星間ガスの相互作用をモデル化する。
• 陽子カルビュレーター条件 τpp ≤ τesc を適用し、V ≈ 300 km/s、h ≈ 100 pc の銀河スーパーウインドに対して τesc ≈ h/V ≈ 3×10⁵ yr が成り立つ。
• γ線とニュートリノの放射度を全赤外放射度（L_TIR）に関連付ける関係式 Lγ ≈ (2/3)Lν ≈ 1.5×10⁻⁴ η₀.₀₅ L_TIR を用いる。
• FIR-電波相関を用いて宇宙線注入効率ηをキャリブレーションし、陽子カルビュレーターとして機能するためには η ≥ 0.05 が必要であると要求する。
• 共動的星形成率密度 ̇ρ⋆(z) および陽子カルビュレーターとしての星形成割合 f(z) に対して統合を行い、全背景放射度を計算する。
• EGRET（非検出）およびGLAST感度からの観測的制約と比較することで、Stecker (2006) との矛盾を解消する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 1 のスターバースト銀河は、宇宙線陽子と星間ガスの相互作用によるパイオン崩壊を通じて、銀河間γ線およびニュートリノ背景にどの程度寄与しているか？
• RQ2 スターバースト銀河が陽子カルビュレーターとして機能するための条件は何か？また、銀河風のダイナミクスはその機能にどのように影響するか？
• RQ3 なぜStecker (2006) は、本研究およびLW (2006) よりも約5倍低いニュートリノおよびγ線背景推定値を報告しているのか？
• RQ4 星形成の赤方偏移依存性および、陽子カルビュレーター状態にあるスターバーストの割合 f(z) が、全背景放射度に与える影響は何か？
• RQ5 GLASTが、NGC 253 や M 82 のような近傍スターバーストを検出できるか？もし検出された場合、それはどのような意味を持つのか？

主な発見

• ガス密度 n ≳ 100 cm⁻³ を有する z ≈ 1 のスターバースト銀河は、τpp ≤ τesc のため、ほぼすべての宇宙線陽子が脱出前にパイオンを生成するため、陽子カルビュレーターである可能性が高い。
• 陽子カルビュレーターからのγ線およびニュートリノ放射度は Lγ ≈ Lν ≈ 1.5×10⁻⁴ η₀.₀₅ L_TIR に比例し、η₀.₀₅ = η/0.05 である。
• 複数の星形成歴モデルを用いた計算から、z ≈ 1 のスターバーストでは f_cal ≈ 0.8 が得られ、背景への支配的寄与が示唆される。
• Stecker (2006) との矛盾は、主に彼が 0.2 ≤ z ≤ 1.2 の星形成のうちたった13%しか陽子カルビュレーターとして扱わないとしている仮定に起因するが、著者らはこれが真の寄与を過小評価していると主張する。
• GLASTによる1つのスターバーストの検出は、スターバースト銀河が銀河間γ線およびニュートリノ背景に顕著な寄与をしていることを確認する。
• EGRETによるスターバースト非検出は、モデルと整合的であり、背景寄与を制約するものではない。モデルはFIRおよび電波データに基づき、非検出を正しく予測している。